Indagine sperimentale dell’interazione fra superfici metalliche riscaldate e miscele metano idrogeno

This work was developed at the Experimental Fuel Station: this is a public institution, located in San Donato Milanese, dedicated to the analysis of the characteristics and qualities of fossil fuels for the Ministry of Economic Development. The topic concerns the study of the interaction between heated metal surfaces and methane-hydrogen mixtures. It is a further development of a research project started up in previous years. Recent studies, in fact, have dealt with the combustion temperature in diffusion flame at different Reynolds number and measured the concentration of hydroxyl radicals, fuel in axial and radial direction and products of combustion. They also tested the temperature required for the ignition and the rate of regression of a flame from a hypothetical ignition point to the vanishing point. Hydrogen is a well known fuel but not widely used yet. The purpose of the research is to investigate the safety of this gas if pumped in the public pipeline network. A first step in the transition from fossil fuels to renewable energy sources may be represented by the use of already existing distribution of natural gas network, converted to transport of methane-hydrogen mixtures. This gas would ensure good results as regards the reduction of pollutant emissions, according to the Kyoto Protocol requirements, but has physical and chemical properties very different from those of any other fuel currently in use. The use of existing and functioning structures would spread the enormous costs required for the transition from one energy source to another one on a longer time, but before placing hydrogen in the public network, a full characterization of the behavior of combustible mixtures is necessary to identify and isolate all possible sources of risk and any problems arising from the conversion of the plant and use on a large scale. Springs of various kinds of metal were subjected to a gradual increase in heat and lapped by gas mixtures at various concentrations and flow rates, within a sapphire reactor. Then the downstream gas was chemically analyzed to study the behavior of mixtures with respect to different conditions. On the sidelines, tests conducted with CO2 have shown, through dedicated filters, the trend of gas flow inside the reactor. The results provided agree with some software simulations (Fluent). The study was supported by different measurement techniques such as infrared thermography and gas chromatography, respectively useful for thermal and chemical analysis.

Il presente lavoro è stato svolto presso la Stazione Sperimentale per i Combustibili: si tratta di un ente pubblico economico, situato a San Donato Milanese, dedito all'analisi delle caratteristiche e della qualità dei combustibili fossili per conto del Ministero per lo Sviluppo Economico. Il tema affrontato verte sullo studio dell'interazione tra superfici metalliche riscaldate e miscele metano-idrogeno e costituisce un ulteriore sviluppo di un progetto di ricerca avviato negli anni precedenti. Studi recenti, infatti, si sono occupati di misurare la temperatura di combustione di fiamme diffusive a diversi Reynolds, le concentrazioni di radicali idrossili, di combustibile in direzione assiale e radiale e di prodotti di combustione, la temperatura richiesta per l'ignizione e la velocità di regressione relativa di fiamma da un ipotetico punto di accensione al punto di fuga. La ricerca trae origine dall'esigenza di indagare la sicurezza nell'impiego, sulla rete pubblica, dell'idrogeno: combustibile ben conosciuto ma ancora poco utilizzato. Un primo passaggio della transizione da fonti energetiche fossili a rinnovabili potrebbe essere rappresentato dall'utilizzo della già esistente rete di distribuzione del metano convertita al trasporto di miscele metano-idrogeno. Quest'ultimo garantirebbe buoni risultati per quanto riguarda la riduzione di emissioni inquinanti, in linea con i dettami del Protocollo di Kyoto, ma presenta caratteristiche fisico-chimiche profondamente diverse da quelle di qualsiasi altro combustibile attualmente in uso. L'utilizzo di strutture già esistenti e funzionanti permetterebbe di distribuire su un tempo più lungo gli enormi costi richiesti per il passaggio da una fonte energetica ad un'altra; tuttavia, prima di procedere all'immissione di idrogeno nella rete pubblica, si ritiene necessaria una caratterizzazione completa del comportamento delle miscele combustibili di esercizio tale da individuare ed isolare ogni possibile fonte di rischio, risolvendo eventuali problemi dovuti alla conversione degli impianti e all'utilizzo su larga scala. Molle di diversi tipi di metallo sono state sottoposte ad un innalzamento termico graduale e lambite da miscele di gas a diverse concentrazioni e portate, all'interno di un reattore in zaffiro. In questo modo, grazie ad analisi sul flusso in uscita dal reattore, si è potuto studiare il comportamento delle miscele relativamente a temperature di reazione e percentuali di conversione di metano e idrogeno, al variare di temperatura, rapporto di equivalenza e portata totale. A margine sono state effettuate delle prove con CO2 che hanno permesso di visualizzare, tramite filtri dedicati, l'andamento del gradiente termico all'interno del reattore, che si è rivelato in accordo con simulazioni effettuate tramite software (Fluent). Lo studio è stato supportato da diverse tecniche di misura quali la termografia all'infrarosso e la gascromatografia, utili rispettivamente per analisi termiche e chimiche.